Sources de lumière colorée

Accompagnement 1ère S
Séance 3
Sources de lumière colorée
I – Les différentes sources
1) Les sources à haute température
Incandescence
Tout corps chaud émet des rayonnements. Au début, ces derniers
appartiennent aux infrarouges (non visibles) puis, lorsque le corps arrive à une
température de 600°C, il se met à émettre dans le visible. Au fur et à mesure
que sa température continue d’augmenter, son spectre s’enrichit de nouvelles couleurs et la
lumière émise, d’abord rouge, devient orange puis jaune. Enfin, quand le spectre est complet, vers
1500°C, il émet de la lumière blanche.
Ex : soleil, lampes à incandescence, lave, flamme, braise,…
2) Les corps à basse température
Luminescence
Certains gaz, sous l’effet d’une décharge électrique, émettent de la lumière. Ce
processus est utilisé dans les lampes à vapeur (hélium, mercure, sodium, etc…),
les tubes fluorescents et les lampes fluocompactes. Les DEL (diodes
électroluminescentes) émettent de la lumière quand elles sont traversées par un courant.
Ex : laser, luciole, éclairs (orage),…
3) Mono ou polychromatique
Une source de lumière monochromatique émet de la lumière qui ne peut être décomposée
par un système dispersif (prisme). Elle est caractérisée par sa longueur d’onde notée λ,
exprimée en m. Ex : laser
Une lumière polychromatique est composée par un
ensemble plus ou moins important de radiations de
longueurs d’onde différentes. Ex : lumière blanche, lampe à vapeurs de mercure
Le spectre du visible est limité par deux lumières non visibles :
- les infrarouges (λ > 780 nm) ;
- les ultraviolets (λ < 380 nm).
4) Composition colorée d’une source
La couleur d’une lumière polychromatique résulte de la superposition (synthèse
additive) de l’ensemble des lumières monochromatiques qui la composent. Elle
est indifféremment perçue d’une lumière monochromatique de même couleur.
II – La loi de Wien
1) Le corps noir
Un corps noir est un objet théorique qui a la capacité d’absorber toutes les ondes qu’il reçoit avant
de les réémettre lorsqu’il est chauffé sous la forme d’un spectre continu qui ne dépend que de sa
température.
Toutes les radiations du spectre ne sont pas émises avec la même intensité. Parmi elles, il en
existe une de longueur d’onde λmax qui est celle pour laquelle l’intensité d’émission est
maximum.
2) Loi de Wien
Elle lie λmax et la température T du corps :
λmax x T = A
avec A = 2,90.10-3 m.K
λmax en m
T en K, unité légale de température
Relation de conversion : T(K) = T(°C) + 273
3) Exploiter cette loi
Un profil spectral donne l’intensité lumineuse de
chaque radiation lumineuse constituant le
spectre d’une lumière et permet de déterminer
λmax et donc de calculer la température de
l’étoile.
III – Lumières mono et polychromatiques
1) Identifiez pour chaque spectre suivant sa source de lumière parmi les suivantes :
lampe à incandescence, lampe à vapeurs de mercure, laser
Spectre
Source
2) Précisez pour chacune d’elle si :
- c’est un spectre de raies ou continu ;
- si la lumière est mono ou polychromatique ;
3) La deuxième photo représente l’allure d’un spectre au fur
et à mesure que la température d’un corps augmente.
a. Le spectre est-il plus riche pour des températures faibles
ou élevées ?
b. De quelle façon s’enrichit un spectre au fur et à mesure
que la température du corps augmente ?
IV – Comprendre le fonctionnement du corps noir
1) Un peu d’histoire
Les caractéristiques d’un rayonnement sont liées aux conditions physico-chimiques de la matière :
composition, pression, température...
La température est la mesure de l’agitation (l’énergie cinétique) des constituants d’un milieu. Elle
se mesure en température absolue sur l’échelle Kelvin (K), le point zéro y désignant une agitation
cinétique nulle. […] T(K) = T(°C) + 273,15
Dans le cas d’un corps absolument opaque, parfaitement isolé et à température constante, la
distribution spectrale est strictement liée à la seule température. Ce cas théorique est appelé
« corps noir ». En première approximation, une étoile peut être assimilée à un corps noir
(presque) parfait ; la perte en énergie rayonnée restant négligeable devant celle contenue à
l’intérieur de l’étoile. Les lois déterminant l’état de la matière dans un corps noir s’appuient sur des
études théoriques et expérimentales. Elles définissent :
- la distribution de la luminance en fonction de la longueur d’onde (loi de Planck) ;
- la longueur d’onde à laquelle la luminance est maximale (loi de Wien) ;
- l’énergie totale du rayonnement (loi de Stefan).
http://www.astro-rennes.com/initiation/corps_noir.php
a. Quelle relation permet de passer d’une
température en °C à une température en K ?
b. Pourquoi pouvez-vous assimiler une étoile à
un corps noir (presque) parfait ?
c. De quel facteur unique va dépendre la
distribution spectrale d’une étoile ?
Portraits de Max PLANCK (1858 - 1947), Wilhelm
WIEN (1864 - 1928) et Josef STEFAN (1838 - 1893)
2) Déplacement du pic d’intensité maximale selon la température du corps
Simulation : http://media4.obspm.fr/public/FSU/pages_corps-noir/spectre-corps-noir-simuler.html
Les différentes courbes de la page suivante représentent l’intensité lumineuse des radiations en
fonction de la température de surface de l’étoile. Elle présente pour chaque température une
longueur d’onde dont l’intensité lumineuse est maximale.
a. Expliquez comment se déplace le pic d’intensité maximale lorsque que vous augmentez la
température (document 1).
b. Donnez un encadrement de température pour lequel les pics d’intensité maximale se situent
dans le spectre du visible (document 2).
c. Quelle est la nature des ondes d’intensité maximale pour une température d’environ 20 000 K ?
d. Un corps à température ambiante émet-ils des ondes ? De quelle nature ? Sont-elles visible par
votre œil ?
Document 1
Document 2
V – Appliquer la loi de Wien
Cette loi met en relation la température d’une étoile et la longueur d’onde λmax de la radiation qui
est émise avec un maximum d’intensité dans le spectre de la lumière de l’étoile.
2 objectifs : elle permet
- soit de déterminer la température de l’étoile T connaissant la longueur d’onde λmax (cette
longueur d’onde pouvant être déterminée à partir d’un graphique) ;
- soit de déterminer la longueur d’onde λmax à partir de la température et ainsi de retrouver (ou
d’estimer) la couleur de lumière émise par l’étoile.
1) Exercice I
Une étoile de température θ (en °C) émet une lumière dont le spectre présente un maximum
d’intensité pour la longueur d’onde λ max (en nm). Ces deux grandeurs sont liées par la relation :
Les astrophysiciens répartissent les étoiles en sept classes spectrales selon la température de
leur surface.
a. Donner un encadrement
des λ max des étoiles de
chaque catégorie.
b. Parmi ces longueurs
d’onde, quelles sont celles
qui appartiennent à la
lumière visible ?
c. Compléter le tableau
suivant :
2) Exercice II
La thermographie opérée sur la peau permet d’apprécier
l’état physiologique de celle-ci ainsi que celui des tissus
sous-jacents. Elle présente un intérêt dans le diagnostic
des pathologies (traumatisme, tumeur) ou dans le suivi
d’actes thérapeutiques (greffe, brûlure, angioplastie). Le
rayonnement de la peau peut être assimilé à celui d’un
corps noir.
1) a. Exprimez et calculez la longueur d’onde λmax
correspondant au maximum d’émission de l’épiderme pour
une température de 30,0°C.
b. Donnez l’intervalle des longueurs d’onde λmax pour une
température cutanée évoluant entre 20,8 °C et 31,4 °C.
2) a. Justifiez le fait que cette imagerie nécessite une caméra infrarouge.
b. Cette technique présente-t-elle des dangers pour la santé du corps humain ?